Energi
Natrium‑ og hydrogen‑faststoffbatterier utfordrer litium
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Utover litiumion
Med elektrifiseringen av alle former for transport, først biler og snart også lastebiler, skip og kanskje til og med fly, har batterilagring blitt tiårets nøkkelteknologi.
Feltet ble først dominert av litiumionteknologi, takket være erfaringen med å produsere slike batterier til småelektronikk og litiums iboende elektriske egenskaper.
Litiumionteknologien har imidlertid noen sentrale problemer som kan begrense utbredelsen:
- Litium er dyrere og sjeldnere enn andre metaller, noe som kan begrense bruken til batterier med svært høy energitetthet eller eksklusive produkter.
- Metallet har en tendens til å danne dendritter som kan forårsake katastrofale feil og batteribrann.
- Teknologien fungerer dårlig i kulde, noe som gjør den mindre egnet i kalde klimaer og til stasjonær lagring i kalde områder.
Av disse grunnene har forskere og batteriprodusenter undersøkt alternative kjemier. Ett alternativ er natrium, som finnes i det svært rikholdige og billige havsaltet.
Natriumionbatterier nærmer seg masseproduksjon, og selskapet CATL (300750.SZ) leder utviklingen på området.
«Det handler ikke om natrium mot litium. Vi trenger begge. Når vi tenker på morgendagens energilagringsløsninger, bør vi forestille oss at den samme gigafabrikken kan produsere produkter basert på både litium- og natriumkjemi.»
Shirley Meng – professor i molekylærteknikk ved UChicago PME
Likevel forventes både litiumion- og natriumionbatterier å være et mellomtrinn på veien mot en bedre batteriteknologi: faststoffbatterier.
Faststoffteknologien var først konsentrert om litium, men utvides nå i nye retninger. Vi har tidligere omtalt muligheten for et anodefritt faststoffbatteri basert på natrium.
En ny studie viste at en metastabil form for fast natriumelektrolytt kan brukes til å lage faststoffbatterier av natrium som både har høyere energitetthet og bevarer ytelsen ved temperaturer under frysepunktet.
Arbeidet ble utført av forskere ved University of California, University of Chicago og National Taiwan University of Science and Technology. Det ble publisert i tidsskriftet Joule1 med tittelen «Metastable sodium closo-hydridoborates for all-solid-state batteries with thick cathodes».
Utfordringer med faststoffelektrolytter
I et «vanlig» batteri skilles katoden og anoden av en flytende elektrolytt. Elektrolytten er svært nyttig, men også tung og hovedårsaken til brann i defekte batterier.
Ved å erstatte den med et lag av fast materiale kan batteriet derfor bli både langt mer energitett og tryggere. Det har imidlertid vært vanskelig å holde den faste elektrolytten stabil og hindre at den sveller under lading eller utlading og dermed sprekker.
Faste natriumelektrolytter har et ekstra problem: begrenset ionisk ledningsevne ved romtemperatur.
Et alternativ kan være et materiale som natriumhydridoborat, som er kjent for svært høy ionisk ledningsevne. Da må den metastabile formen kunne opprettholdes i et batteri i stor skala.
«Denne metastabile strukturen til natriumhydridoborat har svært høy ionisk ledningsevne, minst én størrelsesorden høyere enn det som er rapportert i litteraturen, og tre til fire størrelsesordener høyere enn utgangsmaterialet.»
Shirley Meng – professor i molekylærteknikk ved UChicago PME
Stabilisering av faste natriumelektrolytter
Når et batteri med natriumhydridoborat produseres, går materialet gjerne mot en stabil struktur under avkjøling, der NaBH4 skilles fra Na2B12H12-molekylene.
Ved høy temperatur finnes det en metastabil form der de to krystallene blandes. Dette gjør at natrium kan bevege seg mye raskere i batteriet og gir bedre elektrisk kapasitet.
Kilde: Joule
Når materialet i metastabil form avkjøles raskt, beholder krystallen strukturen i stedet for å gå tilbake til en stabil form. Slik hurtig avkjøling, også kalt bråkjøling, er en sentral produksjonsmetode, særlig i metallurgi for stål og andre metaller.
Kilde: Joule
Kjent teknikk gir skalerbarhet
Det var allerede kjent at bråkjøling, altså rask avkjøling, ofte er nyttig for å stabilisere en kjemisk struktur. Metoden hadde imidlertid aldri tidligere blitt demonstrert i en faststoffelektrolytt.
At dette er en veletablert metode, kan gjøre teknikken langt enklere å skalere og ta i bruk for batteriprodusenter.
«Siden denne teknikken er etablert, har vi bedre mulighet til å skalere opp i fremtiden.
Hvis man foreslår noe helt nytt, eller prosesser må endres eller etableres, vil industrien være mer tilbakeholden med å godta det.»
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering i Singapore.
Tykk elektrode og lave temperaturer
De fleste faststoffdesign prøver å konstruere en svært tynn katode for å maksimere kontaktflaten og begrense mengden «dødt» materiale som ikke lagrer energi.
Bråkjølingen løser dette problemet ved å skape permanente porer som natriumionene kan bevege seg gjennom.
«Når den metastabile fasen kombineres med en katode av O3-typen belagt med en kloridbasert faststoffelektrolytt, kan man lage tykke katoder med høy arealbelastning. Det løfter denne nye utformingen forbi tidligere natriumbatterier.»
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering i Singapore.
Dette gir et interessant designpotensial, fordi en tykkere elektrode i dette tilfellet bør forbedre batteriet i stedet for å svekke det.
«Jo tykkere katoden er, desto bedre blir batteriets teoretiske energitetthet – mengden energi som lagres innenfor et bestemt areal.»
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering i Singapore.
Da forskerne testet katoden, fant de at ytelsen holdt seg ved romtemperatur og selv under frysepunktet. Det er en klar fordel for drift i kaldt klima sammenlignet med konvensjonelle litiumionbatterier med flytende elektrolytt, men bredere overlegenhet på systemnivå er ennå ikke dokumentert.
Hydrogen som ladningsbærer
Når hydrogen omtales i forbindelse med transport og grønn energi, siktes det vanligvis til dihydrogen (H2) og forbrenning eller oksidasjon i spesialmotorer eller brenselceller.
Hydrogen kan imidlertid også få en viktig rolle i fremtidens batterier og erstatte litium eller natrium. Da brukes hydrid (H−) i stedet.
Fordi hydrogen er universets vanligste grunnstoff, kan det bli særlig nyttig i en verden som ønsker full elektrifisering basert på grønn energi og batterier.
Kinesiske forskere ved University of Chinese Academy of Sciences, University of Science and Technology of China (USTC), Jilin University og State Key Laboratory of Catalysis har i det anerkjente vitenskapelige tidsskriftet Nature2 presentert konseptet for et faststoffbatteri med hydridioner, med tittelen «A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery».
Hydridioner
Batterier bruker en negativ ladningsbærer til å transportere elektroner mellom anoden og katoden. I teorien er hydridioner (H−) mer energirike, polariserbare og reaktive enn kationer som litium eller natrium.
Hydrogen er også det minste atomet og derfor svært lett, noe som er viktig for batterier som brukes i transport.
Til tross for disse velkjente fordelene har hydridioner hittil ikke vært brukt i batterier, fordi ingen elektrolytt har kunnet kombinere rask ionebevegelse, termisk stabilitet og kompatibilitet med elektrodene slik systemene krever.
Kombinasjon av ledningsevne og stabilitet
Forskerne syntetiserte en ny kjerne–skall-kompositt av hydrid, 3CeH3@BaH2, der et tynt skall av BaH2 omslutter CeH3. Strukturen utnytter den høye hydridionledningsevnen til CeH3 og stabiliteten til BaH2.
Med denne skallkompositten som byggestein skapte forskerne en faststoffprototype med hydridioner: CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4. NaAlH4, et klassisk materiale for hydrogenlagring, ble brukt som aktivt katodemateriale.
Slutt på dendritter?
Hydridioner har enda en stor fordel ved siden av høy energikapasitet: I motsetning til metalliske kationer kan de ikke samle seg til dendritter, som er en hovedårsak til batterisvikt etter mange lade- og utladesykluser og kan føre til kortslutning og brann.
Teknologien kan dermed åpne for trygg, effektiv og bærekraftig energilagring.
Teknologien er imidlertid langt mindre moden enn litiumbatterier og selv natriumbatterier, og utformingen må bli mer holdbar.
Foreløpig har forskerne oppnådd en høy kapasitet på 984 mAh/g ved romtemperatur. Batterikapasiteten falt imidlertid til 402 mAh/g etter bare 20 sykluser.
Fremtiden for faststoffbatterier
På kort sikt vil batterier med litiumionteknologi trolig fortsatt være et fundament for grønn energi og elbiler.
På mellomlang sikt kan faststoffbatterier eller natriumbatterier, inkludert faststoffbatterier av natrium, utfordre litiumionbatterienes dominans, særlig hvis de kan levere høy nok energitetthet til en lavere pris.
Den raske ladingen til faststoffbatterier kan også overbevise sjåfører som nøler med å bytte til elbil, og være attraktiv i kommersielle bruksområder.
Holdbarhet og toleranse for lave temperaturer vil også spille inn. Gjennom 2030-årene kan mange batterikjemier eksistere parallelt, med enkelte batterier spesialisert for elbiler i kalde klimaer.
Du kan lese mer om disse temaene i følgende artikler:
Sveip for å bla →
| Batteritype | Energitetthet | Sykluseliv | Kostnad | Modenhet |
|---|---|---|---|---|
| Litiumion | 250–300 Wh/kg | Over 1 000 sykluser | Høy | Kommersiell |
| Natriumion | 160–200 Wh/kg | Over 1 000 sykluser | Lavere | Skalerer (CATL) |
| Faststoff (Litium) | 350–500 Wh/kg | >2,000 sykluser (mål) | Høy (F&U) | Pilot (2026–27) |
| Hydridion | 984 mAh/g (prototype) | 20 sykluser (nåværende) | Ukjent | Tidlig forskning |
Faststoffbatteriselskap
QuantumScape
QS Prisdiagram
Siden oppstarten i 2010 har California-baserte QuantumScape (QS ) vært en fremtredende aktør innen faststoffbatterier. Selskapet gikk tidlig inn i feltet og er uavhengig av de større batteriprodusentene som også utvikler faststoffteknologi, blant annet CATL (300750.SZ), Samsung og LG Energy Solution (373220.KS).
Kilde: QuantumScape
Et særtrekk ved QuantumScapes batterier, som ble regnet som revolusjonerende da det ble presentert, er den anodefrie utformingen.
Den gir hurtiglading på rundt 15 minutter, fra 10 til 80 % ved 45 ºC, og separatoren er verken brennbar eller antennelig.
Kilde: QuantumScape
Dette plasserer også QuantumScapes batterier i en egen klasse for energitetthet og ladehastighet, langt foran markedsledere som Tesla (TSLA ) – både Teslas egen batteridesign og variantene som produseres av CATL.
Kilde: QuantumScape
Den imponerende ytelsen har imidlertid jevnlig blitt overskygget av problemer med å trappe opp produksjonen. Selskapet har også måttet bruke opp kontantbeholdningen, noe som har utvannet tidligere aksjonærer og presset aksjekursen.
Dette ser ut til å endre seg etter avtalen med PowerCo i 2024. Volkswagen-konsernets batteridivisjon fikk en lisensavtale for design og masseproduksjon av QuantumScape-batterier hos PowerCo.
Den ikke-eksklusive lisensavtalen gir PowerCo rett til å produsere opptil 40 gigawattimer elbilbatterier i året, med mulighet til å utvide til 80 GWh årlig.
Den raske oppskaleringen av QuantumScapes produksjon er knyttet til Cobra, selskapets neste generasjons produksjonsutstyr for separatorer til faststoffbatterier, et gjennombrudd innen keramikkproduksjon.
Cobra skal etter planen integreres i produksjonen i 2025, og den første ferdige elbilen med QuantumScape-batterier ventes produsert i 2026.
Kilde: QuantumScape
Dette kan bli et vendepunkt for selskapet. Seksten år etter grunnleggelsen kan QuantumScape gå fra å være en lovende oppstartsbedrift med interessant immaterialrett til å skape voksende inntekter gjennom et samarbeid med en av verdens største bilprodusenter.
Forholdet til PowerCo ble tettere i 2025. Faststoffbatterier ble tatt i bruk i en Ducati-motorsykkel, og PowerCo skal betale opptil 131 millioner dollar ekstra i løpet av de neste to årene dersom det felles oppskaleringsteamet når bestemte milepæler.
«Den utvidede avtalen er et tydelig signal om den økende strategiske, tekniske og finansielle samkjøringen mellom de to selskapene.
Den gjenspeiler vår felles tro på QSE-5 som en banebrytende plattform for batteribransjen.»
Dr. Siva Sivaram – administrerende direktør og president i QuantumScape.
I mellomtiden bør investorer fortsatt regne med svingninger i aksjekursen, men produktutviklingstunnelen har nå lys i enden.
(Du kan også lese om andre batteriselskaper i USA og resten av verden i artikkelen vår De 10 beste batteriaksjene å investere i.)
Refererte studier
1. Jin An Sam Oh, et al. Metastable sodium closo-hydridoborates for all-solid-state batteries with thick cathodes. Joule. 102130. 16. september 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3
2. Jirong Cui, et al. A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery. Nature. 17 september 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3
